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Le spaser, un laser à plasmons, promesse d'une électronique nouvelle ?

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Les dispositifs qui prendront le relais des composants électroniques d'aujourd'hui pourraient bien utiliser des plasmons émis par l'équivalent des lasers, les spasers. La nanotechnologie permet désormais de les fabriquer avec des feuillets de graphène et des nanotubes de carbone.

Vue d'artiste d'un feuillet de graphène avec la structure hexagonale des atomes de carbone formant le feuillet. Des ondes de densité de charge électrique peuvent apparaître dans ce feuillet. La mécanique quantique implique que ces ondes soient quantifiées, avec des paquets d'énergie appelés plasmons par analogie avec les photons et les phonons. © Jannik Meyer

L'analogue d'un laser avec des phonons à la place des photons existe. On obtient alors un saser. Depuis une dizaine d'années, on sait que l'on peut faire un autre analogue du laser avec d'autres quasiparticules, les plasmons de surface. Ce sont les analogues des phonons, mais au lieu d'être des quanta d'énergie des ondes sonores dans un cristal, ils sont les quanta d'énergie d'ondes de densité dans le gaz d'électrons libres dans un métal. Le premier spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation) a vu le jour en 2009. Il est l'une des découvertes entraînées par un domaine de recherche très actif et prometteur en ce début du XXIe siècle : la plasmonique.

Comme pour la spintronique, les physiciens et les ingénieurs en attendent une nouvelle électronique plus rapide et plus compacte. Jusqu'à une publication récente d'un groupe de chercheurs de l'université Monash (Australie) dans ACS Nano, les spasers considérés en laboratoire étaient fabriqués avec des nanoparticules d'or ou d'argent, et parfois avec des boîtes quantiques. Mais les nanotechnologies explorent aussi les possibilités ouvertes par un matériau miracle : le graphène.

Soumis à un rayonnement, un nanotube de carbone et un feuillet de graphène deviennent le lieu de l'apparition d'un effet spaser (surface plasmon amplification by stimulated emission of radiation). On peut se représenter le dispositif comme une sorte de nanolaser, à la différence près que les particules circulant dans le feuillet de graphène ne sont pas des photons mais des plasmons. © American Chemical Society

Des spasers à nanoparticules aux spasers avec du graphène

Doué de propriétés mécaniques, optiques, électriques et thermiques exceptionnelles, le graphène et ses feuillets peuvent être enroulés pour fabriquer une autre vedette des nanosciences, les nanotubes de carbone. Les chercheurs ont réussi à faire un spaser en associant des feuillets de graphène et des nanotubes de carbone.

Or, des dispositifs à base de spasers peuvent être utilisés comme une alternative à ceux à base de courants électriques comme les transistors, les microprocesseurs, les mémoires et les écrans tout en surmontant les limites actuelles à leur miniaturisation. L'utilisation du graphène et des nanotubes de carbone apparaît comme particulièrement bien adaptée, car ces matériaux sont plus d'une centaine de fois plus résistants que l'acier et peuvent conduire la chaleur et l'électricité beaucoup mieux que le cuivre. En outre, ils sont plus respectueux de l'environnement que les nanoparticules d'or ou d'argent.

Les chercheurs font miroiter dans un avenir proche des applications avec des composants à base de spasers, par exemple des téléphones portables si fins qu'ils tiendraient dans l'épaisseur d'un vêtement. On peut penser qu'il permettrait de concrétiser le fameux Morph de Nokia.

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